КМОП

КМОП (комплементарная структура «металл — оксид — полупроводник»; англ. CMOS, Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) — это технология построения логических интегральных схем, в основе которой лежит использование пары полевых транзисторов с разным типом проводимости (p-канал и n-канал), соединённых комплементарно. Ключевая особенность КМОП-схем заключается в крайне низком энергопотреблении в статическом режиме, так как в устойчивых состояниях один из транзисторов пары закрыт и ток через схему практически не течёт. Благодаря этому свойству КМОП-технология стала доминирующей в производстве микропроцессоров, микроконтроллеров, запоминающих устройств и датчиков (в частности, КМОП-матриц).

История развития

Предпосылки и изобретение

До появления КМОП-технологии в основном использовались биполярные транзисторы и логика на n-МОП (NMOS) или p-МОП (PMOS) транзисторах. Эти схемы потребляли значительный ток даже в статическом состоянии, так как через открытый транзистор постоянно протекал ток. Идея комплементарной пары, в которой один транзистор открыт, а другой закрыт, была впервые предложена Фрэнком Вонласом (Frank Wanlass) в 1963 году. Он же в 1967 году запатентовал базовую ячейку статической оперативной памяти (SRAM) на КМОП.

Коммерческое внедрение

Первые коммерческие КМОП-микросхемы появились в конце 1960-х — начале 1970-х годов. Компания RCA выпустила серию микросхем CD4000, работающих на относительно высоком напряжении (3–15 В). Однако из-за более сложной технологии изготовления (требовавшей дополнительных этапов для создания p- и n-каналов) КМОП сначала был дороже и медленнее n-МОП. Широкое распространение технология получила в 1980-е годы, когда развитие литографии позволило уменьшить размеры транзисторов, а также когда возникла потребность в портативной электронике с батарейным питанием, где низкое энергопотребление стало критическим фактором.

Современный этап

Начиная с 1990-х годов КМОП вытеснила все остальные технологии цифровой логики (TTL, ECL, n-МОП) в массовом производстве. Процесс миниатюризации (закон Мура) позволил сократить топологические нормы с микрометров до нанометров. На 2024 год производственные нормы для массовых процессоров составляют единицы нанометров (например, 5 нм, 3 нм). Технология постоянно развивается, включая такие ответвления, как КМОП с кремнием-на-изоляторе (КНИ / SOI) и КМОП на основе finFET (транзисторы с трёхмерным затвором).

Устройство и принцип работы

Комплементарная пара

Базовый элемент КМОП-логики — это два полевых транзистора: один с каналом p-типа (p-MOS), другой с каналом n-типа (n-MOS). Их затворы объединены и образуют вход инвертора. Стоки также объединены и образуют выход. Исток p-MOS подключён к напряжению питания (Vdd), а исток n-MOS — к общему проводу (GND).

Принцип работы:

• Когда на вход подаётся высокий уровень (логическая «1», например, +3,3 В), n-MOS транзистор открывается, а p-MOS закрывается. Выход соединяется с GND — на выходе низкий уровень.
• Когда на вход подаётся низкий уровень (логический «0», например, 0 В), p-MOS открывается, а n-MOS закрывается. Выход соединяется с Vdd — на выходе высокий уровень.

Таким образом, в обоих устойчивых состояниях один из транзисторов закрыт, и через инвертор протекает лишь малый ток утечки (токи утечки через канал и подзатворный диэлектрик).

Логические вентили

Из инвертора путём добавления параллельных и последовательных транзисторов строятся все базовые логические элементы: И (AND), ИЛИ (OR), И-НЕ (NAND), ИЛИ-НЕ (NOR) и более сложные комбинационные схемы. Каждый вентиль также состоит из комплементарной пары, что сохраняет свойство малого статического потребления.

Динамическое потребление

Энергия в КМОП-схеме расходуется преимущественно во время переключения (динамическое потребление). В момент изменения состояния транзисторы кратковременно находятся в активной области, и через них проходит сквозной ток. Кроме того, на перезаряд ёмкости нагрузки (затворы следующих вентилей, проводники) затрачивается энергия, пропорциональная квадрату напряжения питания, ёмкости нагрузки и частоте переключения. Формула динамической мощности: \(P_{din} = C \cdot V^2 \cdot f\), где \(C\) — нагрузочная ёмкость, \(V\) — напряжение питания, \(f\) — частота переключения.

Проблемы в нанометровых нормах

С уменьшением размеров транзисторов возрастают токи утечки (подпороговый ток и туннельный ток через подзатворный диэлектрик). Это приводит к росту статического потребления, что требует применения специальных транзисторов (low-power, high-speed) и схемных решений (Power Gating — отключение питания неиспользуемых блоков).

Виды и модификации КМОП-технологии

Bulk CMOS (объёмный КМОП)

Традиционная технология, при которой транзисторы формируются непосредственно в объёме кремниевой подложки. В современных версиях используются тройной карман (triple-well), что позволяет изолировать n- и p-каналы друг от друга и уменьшить влияние паразитных тиристоров (склонность к защёлкиванию — latch-up).

КМОП на кремнии-на-изоляторе (SOI CMOS, КНИ-КМОП)

В этой технологии активный слой кремния, где располагаются транзисторы, отделён от основной подложки тонким слоем диэлектрика (обычно оксида кремния). Это снижает паразитные ёмкости, уменьшает токи утечки и полностью исключает защёлкивание. SOI используется в высокопроизводительных процессорах (например, IBM POWER, AMD Phenom II), а также в радиационно-стойких схемах.

FinFET (трёхмерные транзисторы)

На смену планарным транзисторам пришли трёхмерные структуры, где канал представляет собой тонкое вертикальное ребро (fin). Затвор охватывает ребро с трёх сторон, что улучшает управление каналом и снижает токи утечки. FinFET применяется в большинстве современных процессоров (Intel с архитектуры Ivy Bridge, TSMC с 16 нм, Samsung с 14 нм и далее).

Fully Depleted SOI (FD-SOI)

Разновидность SOI, при которой активный слой кремния настолько тонок (менее 10 нм для современных норм), что область канала полностью обедняется носителями заряда. Это даёт почти идеальный подпороговый наклон и позволяет гибко регулировать пороговое напряжение за счёт подачи смещения на подложку. Технология FD-SOI (например, 28 нм и 22 нм от STMicroelectronics) востребована в энергоэффективной электронике (Интернет вещей, автомобильные системы).

Применение КМОП

Цифровые интегральные схемы

Основная область применения — производство всех типов цифровых микросхем:

• Микропроцессоры (Intel Core, AMD Ryzen, Apple M-series).
• Микроконтроллеры (STM32, AVR, PIC).
• Запоминающие устройства: SRAM, ПЗУ масок, Flash-память.
• Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС / FPGA).
• Специализированные ASIC (чипы для криптовалют, нейронные ускорители).

Аналоговые и смешанные схемы

КМОП-транзисторы используются не только в цифровой, но и в аналоговой электронике. На их основе строят:

• Операционные усилители (хотя по шумовым параметрам КМОП-усилители уступают биполярным, однако преимущества по потреблению и интегрируемости велики).
• Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.
• Кварцевые генераторы и фазовые автоподстройки частоты (PLL).
• Компараторы.

КМОП-сенсоры (датчики изображения)

КМОП-матрица — самый массовый вид датчиков в современной цифровой фотографии (камеры смартфонов, профессиональные фотоаппараты, видеокамеры, системы машинного зрения). В отличие от ПЗС-матриц (CCD), КМОП-датчик содержит в каждом пикселе не только фотодиод, но и усилитель, и схему выборки, что позволяет считывать информацию построчно. Это даёт меньший уровень задержки (rolling shutter), меньшую стоимость производства и меньшее энергопотребление, хотя качество при слабом освещении и уровень шума у КМОП-матриц долгое время уступали ПЗС. К середине 2010-х годов КМОП-матрицы практически вытеснили ПЗС из потребительских и профессиональных камер (за исключением отдельных научных и астрономических применений). Технология обратного освещения (backside illumination — BSI) в КМОП-матрицах позволила значительно повысить светочувствительность.

Специализированные применения

• Радиационно-стойкие микросхемы (космическая и военная электроника) — часто изготавливаются по технологиям SOI КМОП или с использованием схемотехнических методов защиты (тройное резервирование).
• Микросхемы малой мощности (low-power) — для устройств с автономным питанием (калькуляторы, слуховые аппараты, датчики систем «умный дом»). В таких микросхемах дополнительно снижают напряжение питания и используют режимы глубокого сна (sleep mode), где энергопотребление может составлять единицы наноампер.
• Микросхемы для радиочастотных (RF) приложений — хотя КМОП-транзисторы уступают по частотным свойствам гетеробиполярным (SiGe, GaAs), развитие литографии до десятков нанометров позволило их использовать в диапазоне до 10 ГГц и выше (в чипах Wi-Fi, Bluetooth, сотовой связи). КМОП-СВЧ схемы интегрируются с цифровым ядром на одном кристалле, что удешевляет и миниатюризирует устройства (System-on-Chip, SoC).

Критика и ограничения

Утечки и нагрев

С уменьшением длины канала до единиц нанометров проблема токов утечки становится всё более острой. Статическая составляющая потребления современных высокопроизводительных процессоров может достигать нескольких десятков ватт, что требует сложных систем отвода тепла (кулеры, жидкостное охлаждение). Дальнейшее масштабирование также сталкивается с ограничениями, связанными с квантовыми эффектами и предельной толщиной подзатворного диэлектрика.

Сложность производства

Изготовление современных КМОП-чипов (5 нм, 3 нм) требует экстремально точной литографии (EUV), многослойных структур (до 30–40 металлических слоёв) и огромных затрат на чистые комнаты. Стоимость маски-оригинала для одной микросхемы по нормам 7 нм может превышать несколько миллионов долларов. Это делает доступ к передовым технологиям крайне ограниченным (фактически три компании: TSMC, Samsung, Intel).

Чувствительность к радиации

Обычный Bulk КМОП подвержен сбоям при воздействии ионизирующего излучения (одиночные события — single event upsets, SEU). Для космических и ядерных применений требуются специальные радиационно-стойкие версии (SOI, утолщённый оксид, схемотехническое троирование), что повышает цену и снижает быстродействие.

Перспективы

Дальнейшее развитие КМОП-технологии связано с:

• Переходом к транзисторам с горизонтальным каналом (nanosheet FET, Gate-All-Around — GAA). Samsung начала массовое производство GAA (MBCFET) с технологии 3 нм в 2022 году.
• Использованием новых материалов: германий в канале, диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k), углеродные нанотрубки.
• Разработкой ячеек нейроморфных процессоров на КМОП (аппаратные аналоги синапсов) и энергонезависимых ячеек (RRAM, MRAM), интегрируемых на КМОП-платформе.

Несмотря на замедление темпов масштабирования (т.н. «конец закона Мура»), КМОП-технология остаётся фундаментом всей современной микроэлектроники на обозримую перспективу в 10–15 лет.

Источники

• Wanlass, F. (1963). Patent US3356858A: Low Stand-By Power Complementary Field Effect Transistor Circuit.
• Mead, C., Conway, L. (1980). Introduction to VLSI Systems. Addison-Wesley.
• Sedra, A., Smith, K. (2004). Microelectronic Circuits. 5th ed., Oxford University Press.
• Taur, Y., Ning, T. H. (2009). Fundamentals of Modern VLSI Devices. 2nd ed., Cambridge University Press.
• Libor, P. et al. (2015). Samsung’s 3 nm GAE and GAA Transistor Technology. IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM).
• Dahl, M. (2020). CMOS: Essential Concepts and Design. Springer.